Guide méthodologique du plomb appliqué à la gestion des sites et des sols pollués

138 Pages·2004·3.09 MB·French

Guide méthodologique
du plomb appliqué
à la gestion des sites
et des sols pollués
Rapport final
BRGM/RP-52881-FR
juin 2004
Guide méthodologique
du plomb appliqué
à la gestion des sites
et des sols pollués
Rapport final
BRGM/RP-52881-FR
juin 2004
Étude réalisée dans le cadre des opérations
de Service public du BRGM 2003-POLA06 et de la convention
d’étude BRGM MEDD/DPPR-BRGM CV 03000012 (point 5)
V. Laperche, M.C. Dictor, B. Clozel-Leloup, P. Baranger
Mots clés : Plomb, Pollution, Sol, Transfert, Remédiation.
En bibliographie, ce rapport sera cité de la façon suivante :
Laperche V., Dictor M.C., Clozel-Leloup B. et Baranger Ph. (2004) - Guide méthodologique
du plomb, appliqué à la gestion des sites et sols pollués. BRGM/RP-52881-FR, 136 p., 40 ill.
© BRGM, 2004, ce document ne peut être reproduit en totalité ou en partie sans l’autorisation expresse du BRGM.
Guide méthodologique du plomb
Synthèse
L e présent guide a été élaboré par le BRGM à la demande du Ministère de
l’Ecologie et du Développement Durable (MEDD dans le cadre de la convention
BRGM MEDD/DPPR-BRGM CV 03000012 (point 5). Il a pour objectif de faire le point
sur les connaissances actuelles sur le plomb (Pb) et les risques liés à ce polluant.
L’objectif de ce travail est de synthétiser et de valoriser l’ensemble des données dans
un guide principalement à l’usage des administrations et pouvoirs publics afin de leur
fournir un état des connaissances sur le plomb.
Le plomb est par importance le 36e élément constituant l'écorce terrestre qui en
contient 14,8 mg kg-1. Le plomb rentre dans la composition de près de 240 minéraux
naturels identifiés dont plus d’un tiers est répertorié dans le groupe des sulfites et des
sulfates.
En raison de son rayon ionique, le plomb peut se substituer à de nombreux autres
éléments comme le potassium, le sodium, le calcium, le strontium ou le barium. Il se
retrouve en trace dans de nombreux silicates (en substitution du potassium) ou dans
les carbonates et les phosphates (en substitution du calcium).
Dans tous les cas, les teneurs moyennes en plomb constatées dans les roches, sont
relativement faibles de quelques milligrammes à quelques dizaines de mg kg-1. En
contexte naturel, en fonction des paramètres géologiques et climatiques, ces niveaux
de concentrations correspondent au « fond géochimique », qui peut être régional ou
local selon la superficie prise en compte.
Il est généralement admis que la teneur en plomb dans les sols agricoles varie de 2 à
200 mg kg-1 mais de nombreux auteurs s’accordent pour affirmer que les sols non
contaminés contiendraient de 10 à 30 mg kg-1 avec une moyenne de l’ordre de
17 mg kg-1. Des teneurs en plomb supérieures à 110 mg kg-1 ne devraient pas se
rencontrer dans des sols naturels et devraient être considérées comme anormales.
Le plomb est présent dans de nombreux minéraux et ne se rencontre que rarement à
l’état natif. Les principaux minéraux porteurs de plomb, sont des sulfates, des
carbonates, des oxydes, des hydroxydes, des sulfures ou encore des phosphates.
L’ensemble de ces minéraux présente une solubilité à l’eau très faible. Compte tenu de
la faible solubilité de la plupart de ses composés, le plomb est considéré comme un
élément peu mobile dans les milieux naturels avec pour conséquence son
accumulation dans les horizons superficiels du sol.
A l’image de la majorité des éléments chimiques, la mobilité du plomb est
principalement contrôlée par sa spéciation en phase aqueuse et par des processus
d’adsorption/désorption et/ou de dissolution/précipitation. Le rôle de certains
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paramètres tels que le pH, le potentiel redox, la composition minéralogique du
sédiment et la présence de ligands ou de colloïdes dans la phase va être déterminant.
Depuis 1970, le développement de nouvelles technologies ainsi que la prise en compte
des problèmes environnementaux et de santé publique, ont conduit à la diminution ou
à l’arrêt de l’utilisation du plomb dans certaines applications (canalisations d’eau,
soudure, pigments dans les peintures, additifs dans l’essence, gaines des câbles et les
pesticides). Par exemple, l’utilisation du plomb dans les peintures d’habitation n’a été
progressivement éliminée aux Etats-Unis que vers la fin des années 1960, mais
l’usage du plomb dans les autres peintures n’est toujours pas interdit. Toujours aux
Etats-Unis, le plomb dans l’essence a été interdit en 1991 et à la même époque la
commercialisation de l'essence sans plomb a débuté en France (la substitution totale
est appliquée en métropole depuis le 2 janvier 2000 suite à la directive européenne du
13/10/1998 qui proscrit, sauf dérogation, l’usage du plomb dans les carburants à
compter du 01/01/2000).
En France entre 1990 et 2002, les émissions ont diminué de 95 % (passant de 4 264 à
217 t an-1) suite à la supression du plomb tétraéthyle dans l’essence depuis le
01/01/2000. Les émissions dues au transport routier sont passées de 3 887 t en 1990
à 0 t en 2002. En 2002, l’industrie manufacturière qui comprend la métallurgie des
métaux non ferreux, des minéraux non métalliques, des matériaux de construction et la
métallurgie des métaux ferreux est la source principale émettrice de plomb (151 t).
Le plomb est principalement utilisé dans les batteries et les piles (64 %), les pigments
et les stabilisants (10 %), les canalisations (7 %), les gaines (6 %), les plombs de
chasse et de pêche (3 %), l’essence (3 %), les alliages (3 %) et la verrrerie et autres
(4 %). L’Amérique du Nord compte pour 26 % de la consommation mondiale du plomb.
La consommation mondiale a augmenté de 25 % lors des deux dernières décades.
Cette augmentation est due en grande partie à l’utilisation du plomb dans les batteries
fabriquées en Asie.
Le plomb peut pénétrer dans l'organisme humain par trois voies : par inhalation, par
ingestion et par voie cutanée. Le plomb se diffuse rapidement via la circulation
sanguine dans les différents organes comme le cerveau, les tissus fortement calcifiés
(dents et os). Si la demi-vie du plomb dans les tissus mous et dans le sang est
d'environ 30 jours, sa demi-vie dans l'os est très longue, de l'ordre de 1 an dans l'os
trabéculaire et de 10 à 20 ans dans l'os compact.
Le plomb sanguin ne représente que 1 à 2 % de la quantité totale de plomb présent
dans l'organisme ; les tissus mous (reins, foie, rate...) en contiennent 5 à 10 % et plus
de 90 % est fixé sur les os.
Le plomb est principalement éliminé dans les urines (75 %). 15 à 20 % du plomb sont
éliminés dans les fèces. Le plomb est aussi également excrété dans la salive, dans la
sueur, dans les ongles, dans les cheveux...
La plombémie, ou dosage du plomb dans le sang, est un bon indicateur du plomb
biologiquement actif et est le reflet de l’exposition du mois précédent.
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En France, les valeurs de référence dans la population générale (données de l’INRS,
1998) sont < 12 µg de plomb pour 100 mL de sang chez l’homme et < 10 µg de plomb
pour 100 mL de sang chez la femme. L’OMS retient également comme concentration
critique dans le sang 100 µg de Pb.L-1. Cette concentration est supposée protéger
98 % de la population mondiale.
Le plomb dans l'eau de consommation est lié à la présence de canalisations et/ou de
soudures métalliques au plomb, et non à la ressource en eau : comme tous les métaux
dans l'eau, le plomb se corrode et les réactions électrochimiques de corrosion
conduisent à l'émission du plomb. Le pH plutôt acide et, à contrario, la présence
importante d’anions alcalins susceptibles de complexer le plomb constituent deux
facteurs « favorables » à la dissolution ou au maintien en solution du plomb dissous en
solution et génèrent des teneurs élevées en plomb pour le consommateur. Ainsi, le
traitement de l’eau de consommation passe essentiellement par le remplacement des
canalisations et soudures en plomb. Ces dernières appartenant le plus souvent à la
partie privative des installations de distribution d’eau, certaines compagnies
distributrices limitent le caractère agressif de l’eau entrant dans les réseaux. Il peut être
également préconisé de faire couler l’eau qui a stagné (et a corrodé le plomb) dans les
canalisations avant de la consommer.
L’eau souterraine ou de surface peut être polluée par des apports anthropiques. Le
traitement le plus communément appliqué est en général une stabilisation à la chaux
(précipitation du plomb dissous par élévation de pH). La biostabilisation et la
rhizofiltration sont des techniques encore au stade exploratoire.
Les expériences étrangères montrent que parmi les techniques de traitement des sols,
les techniques de tri physico-chimiques (incluant tri physique et lavage chimique) sont
les plus avancées. Des essais prometteurs existent dans le domaine de la stabilisation
par les plantes et surtout par l’apport d’amendement qui limiterait la disponibilité du
plomb au sein du sol. Mais dans la grande majorité des cas, les sols pollués sont
stabilisés/consolidés par l’ajout d’un liant comme le ciment et ensuite mis en confinement
pour maintenir l’intégrité physique et chimique du matériau stabilisé ainsi généré.
En France, les sols pollués au plomb sont évacués vers des décharges quand les
volumes à stocker ne sont pas trop importants.
Confinement et stockage en décharge ne peuvent être considérés comme de réelles
solutions de traitement, mais ces deux approches ont « le mérite » de s’adresser à peu
près à n’importe quel type de pollution, alors que l’expérience montre qu’il n’existe pas
une technique de traitement universelle pour décontaminer un sol pollué au plomb (ni
aucun autre élément d’ailleurs…). Toute technique de remédiation présente des limites
techniques et/ou économiques à connaître et à mettre en regard des objectifs de
réhabilitation recherchés.
Parmi les paramètres essentiels conditionnant la faisabilité technique et économique
d’une technique de remédiation, le premier critère porte sur la nature de la pollution au
plomb (diversité des formes minérales ou organo-minérales sous lesquelles s’exprime
le polluant, taille des particules où le polluant est rencontré, présence d’éléments
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accompagnateurs indésirables …). C’est seulement à partir de cette connaissance
approfondie du sol à traiter qu’il est possible de faire une évaluation technique et
économique de la faisabilité du traitement appliqué au sol.
L’accroissement des connaissances sur la nature de la pollution incluant le plomb dans
les sols, laisse espérer un regain d’intérêt pour les solutions effectives de traitement
des sols. Ce regain est renforcé par le coût croissant du stockage et l’amenuisement
du prix du terrain lié à la présence d’un confinement (et de ses servitudes associées).
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Guide méthodologique du plomb
Sommaire
1. Introduction.............................................................................................................13
2. Les sources du plomb dans l’environnement.....................................................15
2.1. Généralités......................................................................................................15
2.1.1.Propriétés...............................................................................................15
2.1.2.Les isotopes du plomb...........................................................................15
2.2. Sources naturelles...........................................................................................18
2.2.1.Gîtologie.................................................................................................18
2.2.2.Le fond géochimique..............................................................................21
2.2.3.Les anomalies géochimiques.................................................................22
2.2.4.Minéralogie, spéciation et stabilité.........................................................23
2.3. Sources anthropiques......................................................................................30
2.3.1.Histoire de l’utilisation du plomb.............................................................30
2.3.2.Activités métallurgiques .........................................................................31
2.3.3.Activités industrielles..............................................................................34
2.3.4.Autres applications.................................................................................41
2.4. Les émissions de plomb en France.................................................................42
3. Toxicité pour la population humaine....................................................................43
3.1. Sources de pollution........................................................................................43
3.2. Voies d’exposition au plomb............................................................................43
3.3. Valeurs utilisées pour la population générale..................................................46
3.4. Effets toxiques - mesure de la plombémie......................................................47
3.5. Toxicité chronique - Le saturnisme..................................................................48
3.5.1.Définition................................................................................................48
3.5.2.Les effets................................................................................................48
3.5.3.Les traitements.......................................................................................50
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3.6. Toxicité aigüe..................................................................................................50
3.7. Données écotoxicologiques............................................................................50
4. Les méthodes d’analyse du plomb.......................................................................53
4.1. Analyses de laboratoire ..................................................................................53
4.2. Analyses sur site.............................................................................................54
4.2.1.Analyse des eaux..................................................................................54
4.2.2.Analyse des solides...............................................................................55
4.2.3.Analyse de la concentration en plomb biodisponible.............................56
5. Les mécanismes de transfert du plomb...............................................................60
5.1. Précipitation/dissolution..................................................................................61
5.2. Adsorption/désorption.....................................................................................61
5.2.1.Effet du pH et du PCN...........................................................................62
5.2.2.Effet de la concentration en plomb........................................................63
5.2.3.Effet de complexants.............................................................................63
5.2.4.Rôle de la calcite...................................................................................63
5.2.5.Rôle de la matière organique (hors matériel bactérien).........................64
5.2.6.Rôle des oxydes, hydroxydes et oxyhydroxydes...................................64
5.2.7.Rôle de la fraction argileuse..................................................................65
5.2.8.Rôle des bactéries.................................................................................66
5.3. Mobilité............................................................................................................68
5.3.1.Influence du pH......................................................................................68
5.3.2.Influence du potentiel redox...................................................................70
5.3.3.Influence de la composition minéralogique du sol ou du sédiment .......70
5.3.4.Influence des ligands présents dans la phase aqueuse........................71
5.3.4.Influence de la fraction colloïdale (hors colloïdes bactériens)...............71
5.3.6.Influence des bactéries..........................................................................72
5.3.7.Autres facteurs susceptibles d’influencer la mobilité du plomb .............73
6. Les techniques de dépollution des sols et des eaux..........................................75
6.1. Généralités......................................................................................................75
6.2. Les traitements associés à l’élimination du plomb dans les eaux...................75
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6.3. Le traitement du plomb dans les effluents et les eaux souterraines................76
6.3.1.Stabilisation à la chaux...........................................................................76
6.3.2.La rhizofiltration......................................................................................77
6.3.3.Les barrieres perméables reactives.......................................................78
6.4. Traitement du plomb dans les sols par des techniques de tris physiques ou
physico-chimiques...........................................................................................78
6.4.1.Avantages et limites de cette technique.................................................80
6.4.2.Exemple de site traité en France............................................................80
6.4.3.Etudes de cas à l’étranger .....................................................................81
6.5. Lavage chimique de sol contaminé au plomb.................................................82
6.5.1.Avantages et limites de cette technique.................................................83
6.5.2.Cas d’étude expérimentale en France...................................................83
6.5.3.Exemple de sites traités à l’étranger......................................................83
6.6. Traitement du plomb dans les sols par phytoremédiation...............................84
6.6.1.Avantages et limites de la phytostabilisation..........................................85
6.6.2.Avantages et limites de la phytoextraction.............................................86
6.6.3.Cas d’études en France.........................................................................87
6.6.4.Cas d’étude à l’étranger.........................................................................87
6.7. Traitement des sols par immobilisation/stabilisation du plomb, in situ...........87
6.7.1.Cas d’étude expérimentale en France...................................................88
6.7.2.Cas d’étude expérimentale à l’étranger..................................................89
6.8. Les procédés de stabilisation/solidification......................................................90
6.8.1.Stabilisation ex situ ................................................................................90
6.9. Autres procédés, pour mémoire......................................................................91
6.9.1.La biotransformation ..............................................................................91
6.9.2.L’électrocinétique...................................................................................91
6.9.3.La vitrification in situ...............................................................................92
6.10. Le confinement................................................................................................92
6.11. Conclusion et évaluation de la faisabilité technique d’une dépollution
du plomb dans les sols....................................................................................92
7. Sites pollués par du plomb....................................................................................95
7.1. Exemples de sites industriels pollués par du plomb........................................95
7.1.1.L’activité minière ....................................................................................95
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